Вироиды – генетически неграмотные универсалы
Каданг-каданг – так филиппинцы называют заболевание, поражающее кокосовые пальмы. Оно вызывается вироидами. Что такое вироиды? Разве это не вирусы? Они ведут себя как вирусы, но выглядят иначе. Они «голые», и у них нет оболочки, поэтому им дали компромиссное название «вироиды». Я думаю, их следовало бы отнести к семейству вирусов, но не все вирусологи с этим согласны. Если перед вами человек в пальто, он человек, а если он раздет, то гоминоид или по-прежнему человек? Поэтому я бы хотела отнести вироиды к вирусам. Просто это – «голая» РНК. Этому посвящена моя опубликованная статья «Вирусы – наши самые древние предки»; правда, в конце стоял скромный знак вопроса. Если вироиды – самые древние биомолекулы, тогда вирусы действительно наши самые древние предки.
Мы сидели и завтракали в один из дней Всемирного саммита по вирусологии в Пусане (Южная Корея), в котором участвовало не более 50 человек. Безусловно, это не было саммитом, как было объявлено, и само мероприятие не вполне отвечало ожиданиям участников. Корейцы, вероятно, даже представить себе не могли, как мало ученых приедет на этот саммит. Тем не менее последствия оказались удивительными: несколько растерянных участников данного мероприятия рассказали друг другу больше, чем 25 000 ученых, присутствовавших на Всемирном саммите по ВИЧ, о чем стоило бы задуматься.
Итак, мы слушали восьмидесятилетнего Джона Рэндлза, которого 50 лет назад филиппинские политики попросили разобраться с заболеванием, поразившим пальмовые деревья. С борта самолета он увидел уничтоженные леса и нашел этому объяснение: местные жители забираются на верхушку пальмы, где срубают плоды всегда одним и тем же ножом, перенося возможного инфекционного агента с одного дерева на другое. В соке пальм действительно выявили вироиды, которые позднее были названы «вироиды каданг-каданга кокосовых пальм». Эти вироиды наносят существенный экономический ущерб, поскольку инфицируют пальмовые деревья, многолетние перцы чили и ананасы, а также картофель в Европе. Зараженные ножи – это то же самое, что зараженные шприцы и иглы, при использовании которых ВИЧ передается в среде наркоманов или в плохо оборудованных больницах, где не могут позволить себе одноразовые шприцы и иглы. Так ВИЧ-инфекции распространялись в больницах в начале вспышки заболевания в Киншасе (Африка). Аналогичным образом вирус гепатита С (HCV), к сожалению, распространился в Египте при проведении инъекций от шистосомоза зараженными иглами. Благодаря этим инъекциям удалось покончить с тропическим заболеванием, вызываемым паразитами, однако через зараженные иглы миллионы людей были инфицированы вирусом гепатита С, который приводит к гепатоцеллюлярной карциноме. Это нечто похожее на пальмовые вироиды каданг-каданга.
Вироиды – инфицирующие растения каталитически активные рибозимы, растительные патогены, способные к репликации, которые ведут себя как вирусы, но вирусами не называются. Никто не отважился назвать их вирусами, поскольку они не подчиняются правилам, распространяемым на вирусы: «голые», не имеющие оболочки РНК не подпадали под определение вируса, существовавшее в 1960-х гг., не подпадают и сегодня. Поэтому ученые попытались прийти к компромиссу и назвали их вироидами, вирусоподобными микроорганизмами. Вироиды имеют кольцевую структуру, и часто это каталитически активные РНК, состоящие исключительно из РНК. Поэтому даже в настоящее время их все еще не считают «настоящими вирусами». Вироиды не используют оболочку, и не только это: они не могут даже считывать генетический код, кодирующий аминокислоты, несмотря на наличие четырех нуклеотидов, хотя и не организованных как триплеты, что является одним из предварительных условий распознавания закодированных аминокислот. Поэтому вироиды, вероятно, существовали до появления кода. Они, так сказать, генетически «неграмотны». И что самое удивительное, остаются таковыми до сих пор. На планете их очень много. Вироиды присутствуют главным образом в растениях и, как мне кажется, являются свидетелями и индикаторами начала жизни. Они относятся к самым древним представителям и реликтам мира РНК ранних этапов его существования, несмотря на то, что сейчас их не слишком жалуют. Должно быть, они древнее, чем генетический код, поскольку их РНК некодирующие, и они предшествовали синтезу белков. Но тут возникает вот какой поворот: они создали условия для синтеза белков, поскольку не существует белков без рибозимов! У них самих нет генетической информации для аминокислот или белков. Могли ли их РНК-последовательности возникнуть случайно? Никогда! Определенно, РНК вироидов содержит информацию, если это некодирующие последовательности, но тогда она должна находиться в их структуре, что каким-то образом также зависит от последовательности. Информация о структуре или электрическом заряде приводит к формированию структуры шпилькообразной петли, необходимой для репликации, расщепления, соединения и взаимодействия с окружающей средой.
У некоторых вироидов самокомплементарность достигает 70%, и это означает, что они являются почти двухцепочечными структурами с одноцепочечной петлей посредине. Они создают условия для взаимодействия с другими молекулами в своем окружении. Такие структуры стабильнее одноцепочечных РНК, что хорошо известно всем биохимикам, работающим в лабораториях, где приходится проводить много бессонных ночей из-за высокой скорости распада РНК. Все инструменты и растворы (включая воду) нужно обрабатывать специальными реагентами (в частности, диэтилпирокарбонатом, DEPC), чтобы они не только были стерильными, но и не содержали нуклеаз. И все же было бы лучше, если бы лаборатория была полностью автономной, без системы воздухообменаЧарлз Дарвин предостерегал от «нуклеаз» (хоть и не использовал этот термин), и по его прогнозам, в нынешних условиях возникновение жизни на Земле невозможно. Современные условия слишком враждебны. Нуклеазы «враждебны». Более того, мы никогда не узнаем, какие условия изначально существовали на Земле. Но Дарвин не исключал, что у всех живых существ на Земле есть общий предок. Может быть, это вироиды? У них достаточно простое строение. Это самореплицирующиеся биомолекулы, которые имеют крайне простое строение даже для современного мира. На начальных этапах формирования жизни защита от угроз внешней среды, безусловно, была необходима. Но как это можно было обеспечить – за счет шпилькообразных петлевых структур, ниш, полостей или за счет липидов? Мы не знаем.
Следует упомянуть, что вироиды – это рибозимы, разрушенные замкнутые кольцевые структуры, частично двухцепочечные и каталитически активные. Рибозимы могут содержать до 50 нуклеотидов, а существующие в настоящее время вироиды – примерно в семь раз больше. И те, и другие имеют замкнутое кольцевое строение. Позднее в ходе эволюции вироиды иногда теряли свою каталитическую активность. Хорошо исследованный вироид веретеновидности клубней картофеля (или PSTVd, где маленькая d означает «вироид») ферментатически неактивен. Но утеря функции означает, что такая активность более не нужна и вирус «обленился». Эту функцию частично взяли на себя клетки. Теперь для репликации им требуется помощь клеток растения-хозяина. В биологии известны две силы – одна повышает сложность структуры организма, а другая ее снижает. Упрощение строения часто возможно, если утраченную способность можно получить откуда-то еще. Поэтому утрата вироидной активности могла быть обусловлена изменением образа жизни, связанным с клеткой-хозяином.
У читателя может возникнуть вопрос: как картофель погибает от вироидов? Патогенность вироидов не вполне понятна. Задействуется ли для этого взаимодействие РНК–РНК или РНК–белок внутри клеток или все происходит за счет вироидной активности? Вироиды могут активировать механизм сайленсинга РНК (сиРНК, siRNA) и индуцировать сайленсинг генов, для чего задействуется РНК в сайленсерном комплексе (RISC). В вироидах существует одна постоянная последовательность – «основной РНК-участок», участок патогенности – что это такое? Безусловно, нуклеиновые кислоты взаимодействуют и с белками внутри клеток, и это может вызвать патогенность.
Между прочим, я отношу вироиды к вирусам. А если так, то должна сделать вывод: «Вирусы – наши самые древние предки», поскольку вироиды – самые древние вирусы. Я опубликовала статью с таким названием, хотя и со скромным вопросительным знаком в конце заголовка.
РНК – одна из макромолекул, из которых возникла жизнь, она знаменует переход от химических процессов к биологическим. РНК может выполнять функции, напоминающие те, что Фримен Дайсон вынес в название своей книги «Источники жизни» (Origins of Life). Из названия следует, что было как минимум два таких источника, раз уж автор использовал множественное число. Такие источники являются как «аппаратным», так и «программным» обеспечением. Дайсона вдохновил Джон фон Нойманн – один из основателей вычислительной техники, который был его коллегой в Принстонском институте перспективных исследований. РНК удовлетворяет оба предъявляемых к ней требования, поскольку это единственная молекула на Земле, которая, насколько мне известно, способна выполнять обе эти функции. РНК является носителем информации – «программным» обеспечением, равно как и машиной, ферментом, то есть «аппаратным» обеспечением, для собственной репликации. Какая же уникальная предпосылка для происхождения, начала жизни.
Когда в Принстоне я спросила Фримена Дайсона, верит ли он в существование двух источников жизни, он загадочно ответил: «Я не утверждал, что есть два источника происхождения жизни, но это возможно».
Изначально он полагал, что два источника происхождения жизни – это генетическая информация и метаболизм.
